Design and implementation of Monte Carlo Path Tracing system on a reconfigurable logic-based platformDesign and implementation of Monte Carlo Path Tracing system on a reconfigurable logic-based platformΣχεδίαση και υλοποίηση συστήματος για όδευση ακτίνων με μέθοδο Μόντε Κάρλο (Monte Carlo Path Tracing) σε πλατφόρμα αναδιατασσόμενης λογικής Διπλωματική Εργασία Diploma Work 2022-07-262022enIn recent years the subject of ray tracing has caused great interest because it has many applications, ranging from the movie industry to flight simulators. Major companies develop specific hardware for ray tracing acceleration. Even though work has been done in the past, the interest of ray tracing on FPGAs has decreased as GPUs were deemed to be more suitable for the task at hand. In this thesis we re-visit the topic, albeit from the baseline of the implementation of tree structures which have not been implemented in hardware for ray tracing in the past. We aim to evaluate the performance of this ray tracing algorithm across 3 different platforms: CPU, GPU and FPGA. We also aim to introduce a ray tracing FPGA design to exploit the parallelism that the platform can provide. The first step in the process was the conversion of data structures and algorithms so that they are suitable to FPGA platforms, by converting recursive structures to iterative. Secondly, we create an architecture in which we used streaming pipeline logic in order to achieve good performance. With our introduced architecture, based on the given scene we managed to achieve speedup of up to 2x against an AMD 5600xt GPU, whereas both GPUs and FPGAs perform much better than CPUs even when multi-threading is used. To conclude, the use of FPGAs yielded a satisfactory speedup and further work on the introduced architecture can lead to better speedups.Τα τελευταία χρόνια το θέμα του ray tracing, δηλαδή της εύρεσης με υπολογιστικές μεθόδους της όδευσης ακτινών σε κάποια σκηνή με αντικείμενα μελετάται ιδιαίτερα επειδή υπάρχει μεγάλο πεδίο εφαρμογών, από την βιομηχανία του κινηματογράφου έως τους προσομοιωτές πτήσεων. Μεγάλες εταιρίες αναπτύσσουν ειδικές μονάδες με σκοπό την επιτάχυνση της διαδικασίας του ray tracing. Αν και έχει γίνει δουλειά στο παρελθόν, το ενδιαφέρον για την διαδικασία σε πλατφόρμες FPGA έχει μειωθεί καθότι τεχνολογία GPU εθεωρείτο περισσότερο κατάλληλη. Σε αυτήν την διπλωματική εργασία ξαναπροσεγγίζουμε το πρόβλημα αυτό αλλά από διαφορετική σκοπιά, με υλοποίηση σε υλικό δενδρικών δομών που δεν έχει γίνει στο παρελθόν. Ο σκοπός μας ήταν να μελετήσουμε και να αξιολογήσουμε την διαδικασία μεταξύ τριών διαφορετικών πλατφορμών, CPU, GPU και FPGA. Επίσης, παρουσιάζουμε ένα σχέδιο ray tracing για FPGA που σκοπεύει να εκμεταλλευτεί τον παραλληλισμό που μπορεί να προσφέρει η πλατφόρμα. Πρώτο βήμα στην διαδικασία ήταν η μετατροπή των δομών δεδομένων και αλγορίθμων σε κατάλληλη δομή για πλατφόρμες FPGA, με μετατροπή αναδρομικών δομών σε επαναληπτικές. Δεύτερο βήμα ήταν δημιουργία μιας αρχιτεκτονικής στην οποία χρησιμοποιούμε streaming pipeline λογική ώστε να έχουμε καλή απόδοση. Με την δική μας αρχιτεκτονική, ανάλογα με την κάθε σκηνή επιτυγχάνουμε επιτάχυνση έως και 2x σε σχέση με μια GPU AMD 5600xt, ενώ τόσο οι GPU όσο και οι FPGA αποδίδουν πολύ καλύτερα από CPU, ακόμη και σε πολυνηματική επεξεργασία. Συμπερασματικά, η χρήση FPGA έδωσε μια ικανοποιητική επιτάχυνση συγκριτικά με τις άλλες πλατφόρμες και περαιτέρω έρευνα πάνω στην αρχιτεκτονική που δημιουργήθηκε θα οδηγήσει σε ακόμη καλύτερα αποτελέσματα.http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/Πολυτεχνείο Κρήτης::Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών ΥπολογιστώνChatzakis_Michail-Iason_Dip_2022.pdfChania [Greece]Library of TUC2022-07-25application/pdf5.4 MBfree Chatzakis Michail-Iason Χατζακης Μιχαηλ-Ιασων Dollas Apostolos Δολλας Αποστολος Ioannidis Sotirios Ιωαννιδης Σωτηριος Sotiriadis Evripidis Σωτηριαδης Ευριπιδης Malakonakis Pavlos Μαλακωνακης Παυλος Πολυτεχνείο Κρήτης Technical University of Crete Path Tracing on FPGA Μετατροπή αναδρομής για GPU Ray Tracing on FPGA Ray Tracing Monte Carlo Ray Tracing Path Tracing Monte Carlo Path Tracing Μετατροπή αναδρομής για FPGA Recursion conversion on GPU Recursion conversion on FPGA